PVDF壓電纖維仿生柔性傳感器水下傳感特性介紹

自然界中，許多動物擁有感知周邊環(huán)境并做出反應(yīng)的能力，這對動物的生存起著至關(guān)重要的作用。例如，兩棲動物海豹利用胡須對水下情況進行感知，以便鎖定魚群的位置，以及躲避鯊魚和虎鯨的追捕。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，受水生動物的觸須啟發(fā)，揚州大學(xué)機械工程學(xué)院邊義祥教授團隊設(shè)計和制備了一種表面四電極聚偏氟乙烯（PVDF）壓電纖維柔性傳感器，該傳感器對不同激勵的感知性能很好，速度檢測極限可達0.15 mm/s，且有良好的方向性檢測能力，在水下情況感知方面應(yīng)用前景廣闊。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《壓電與聲光》期刊。

水生動物胡須由柔軟的毛組織構(gòu)成，當(dāng)受到刺激時毛組織會發(fā)生變形。海豹觸須的剖面圖結(jié)構(gòu)如圖1所示。其纖毛發(fā)生變形后刺激底部的神經(jīng)細胞產(chǎn)生神經(jīng)沖動，然后傳遞給大腦，海豹由此判斷水中物體的運動和方向。研究人員仿造海豹觸須結(jié)構(gòu)，設(shè)計制備了一種基于PVDF壓電纖維的仿生柔性傳感器。將PVDF顆粒在200℃條件下加熱至熔融狀態(tài)，讓其覆蓋在金屬纖維表面，形成一層PVDF包覆層，在空氣中完全冷卻后可得到一段含金屬芯的PVDF壓電纖維。之后對壓電纖維進行極化使其具備壓電性，制備出表面涂導(dǎo)電銀漆部分帶電、未涂導(dǎo)電銀漆部分不帶電的四電極PVDF壓電纖維。

將上述處理好的PVDF壓電纖維抽去金屬芯，裁剪至合適大小，抽去金屬芯部分用類似動物觸須的光纖代替，使傳感器具備更好的柔性。此外，研究人員對傳感器進行了防水處理，并增加了旋轉(zhuǎn)基座以調(diào)整傳感器角度，進而制備出了可在水下進行實驗測試的四電極PVDF壓電纖維仿生柔性傳感器。

圖1 海豹觸須的剖面圖結(jié)構(gòu)

圖2 四電極PVDF壓電纖維

圖3 抽去金屬芯的PVDF壓電纖維

圖4 四電極PVDF壓電纖維仿生柔性傳感器

研究人員驗證了該傳感器對水下情況的感知性能（包括對不同激勵信號感知、水動力感知及方向性感知）。利用激振器輸出正弦、三角、沖擊和方波信號在水下固定位置進行激勵，以測試所制備的傳感器對水下不同信號的感知性能。經(jīng)測試，該傳感器能夠?qū)λ虏煌顚崿F(xiàn)準(zhǔn)確感知。

在水動力感知測試中，通過改變激振源到傳感器的距離調(diào)整流速，以計算傳感器檢測到的流速大小，結(jié)果表明該傳感器的靈敏度為0.06 pC/(mm/s)，量程為0.15 ~ 98.7 mm/s，可檢測的速度檢測極限是0.15 mm/s，與其他檢測流速的傳感器相比，靈敏度較高，檢測極限較小。在方向感知測試中，當(dāng)在一固定點處激勵，改變傳感器角度后，傳感器的兩組電極輸出的電荷和角度呈現(xiàn)“８”字型，說明所制備的傳感器具有良好的方向感知能力。

圖5 實驗裝置示意圖

圖6 兩組電極方向性檢測結(jié)果

這項研究提出的表面四電極PVDF壓電纖維仿生柔性傳感器能夠?qū)λ虏煌募顚崿F(xiàn)準(zhǔn)確感知，靈敏度較高，檢測極限較小，且有良好的方向性檢測能力，未來有望在水下感知等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

審核編輯：劉清